转换合并法在无线人体局域网的应用

蔡 捷 梁 田 杨鸿韬

（1.澳大利亚国立大学，澳大利亚；2.水利部黄河水利委员会信息中心，河南 郑州450000）

转换合并法在无线人体局域网的应用

蔡 捷2梁 田1杨鸿韬1

（1.澳大利亚国立大学，澳大利亚；2.水利部黄河水利委员会信息中心，河南 郑州450000）

提高数据质量，增强稳定性以及降低功率损耗是无线BAN技术不断革新的目标与方向。本文将阐述一种常见的无线通讯技术，转换合并法（Sw itched Combining），在无线BAN上的应用以及对上述性能的影响与权衡（trade-off）。

转换合并；无线人体局域网；功率控制

近年来，无线人体局域网技术（简称为：无线BAN）的出现将医疗保健带入了一个个性化发展的新层次，图1展示了一种典型的无线BAN。

图1 典型无线人体局域网

提高数据质量，增强稳定性以及降低功率损耗是无线BAN技术不断革新的目标与方向。本文将阐述一种常见的无线通讯技术，转换合并法（Switched Combining），在无线BAN上的应用以及对上述性能的影响与权衡（trade-off）。

无线BAN是一个由多个穿戴式或植入式传感器组成的无线网络，传感器将连续性地监测、记录、处理及传送代表个人健康状况的数据[1]。为了医务人员能够成功分析数据，应首选大于某一确定阀值的接收信号，因此基于无线通讯中继技术的转换合并法在无线BAN上的应用就显得尤为重要，特别是在提高接收信号质量以及通讯稳定性方面。

所谓转换合并法此处主要有两种，分别是双分支转换合并（Two-Branch Switched Combining）和三分支转换合并（Three-Branch Switched Combining）。

双分支转换合并法的结构是由发送端（Source），接收端（Hub）和一个中继（Relay）组成的（由图2所示）。两条分支分别由图中的箭头①和箭头②表示。具体方法是初始化分支后，当任何一个正在使用的分支的信道增益低于特定阀值时，在下一时刻将启用另一分支。

图2 双分支交换合并结构图

对于三分之交换合并法（如图3），若当前使用分支的信道增益小于特定阀值，下一分支将被检验，若大于阀值则被启用，否则将切换至最后一个分支且无论该分支的信道增益是否大于阀值[2]。

图3 三分支交换合并结构图

1 试验构建

根据IEEE 802.15.6人体局域网标准，本次测试采用2.36 GHz的载波频率[3]。被测试个体穿戴传感器进行两小时的日常活动，包括行走，开车，办公等等，采样间隔为15ms，传感器位置见图4。

图4 传感器位置完整示意图

其中，较大的蓝色圆点代表中继或接收端，分别是胸部及左右臀部，在程序中的代码分别是1、2、3。其余较小的红点为发送端，本次试验中用到的有左右脚踝（4、5）、右手腕（6）、左上臂（7）、头部（8）、背部（9）以及左手腕（10）。

此外，初始传输功率定为0 dBm。根据[2]我们将-86 dBm定为最优化阀值。

2 成果分析

2.1 中断概率分析

中断概率（outage probability）表示所使用信道增益小于特定阀值的概率，属于一阶统计（the first order statistics）。由于中断的数据是不能被医护人员分析使用的，所以要尽可能地减小中断概率。

综合所有发送端和接收端，使用直链（direct link）的平均中断概率为26.63%，而应用双分支转换合并法后，中断概率降为13.63%，约为之前的一半。具体数据见表1。

表1 双分支转换合并法的中断表现

而使用三分支转换合并法后，平均中断概率仅为7.29%，约为双分支转合并法的一半。因此，本文之后的分析将着重于三分支转换合并法。详细数据见表2。

表2 三分支转换合并法的中断表现

2.2 转换速率分析

转换速率（Switching Rate，单位：Hz）属于二阶统计，代表分支转换的快慢，与通信的可靠性密切相关且转换速率越小代表通信越稳定。

综合考虑所有发送端和接收端，选择合并法（Selection Combining），即选择使用信道增益最大的分支，其平均转换速率为2.6223 Hz。应用三分支转换合并法的平均转换速率仅为1.2655 Hz（详细数据参见表3），意味着其保证了一个更加稳定可靠的通信过程。

表3 三分支转换合并法的转换速率

2.3 功率控制分析

由于传感器均由电池供电且监测是一项长期的任务，因此减少功率损耗以延长电池寿命就显得尤为重要。功率损耗是无线人体局域网的第一设计约束，一些动态功率管理技术被应用，但在功率节约和通讯稳定性间有一定的权衡。此处我们使用一种基于信道预测的功率控制法：首先将功率余裕值（power margin）定为8 dBm，功率增减间隔为0.5 dBm，若当前使用分支的信道增益大于阀值与余裕值的和，则下一时刻将传输功率下降0.5 dBm；相似地，若当前使用分支的信道增益大于阀值与余裕值的差的绝对值，则下一时刻将传输功率增加0.5 dBm，但最高不得高于初始传输功率（0 dBm）。此处我们仍然重点分析基于三分支转换合并法的功率控制结果，其中中断概率及转换速率结果分别参见表4及表5。

表4 三分支转换合并法功率控制下的中断表现

表5 三分支转换合并法功率控制下的转换速率

由表4计算得平均中断概率为5.74%，较无功率控制的三分支转换合并法只有较小的提升，而由表5得平均转换速率为4.2298Hz，是无功率控制情况的四倍。由此可知，控制功率后转换速率提高，这就是前文所述的在节约功率和通信稳定性之间会有一定的权衡和取舍。

3 结论

转换合并法，尤其是三分支转换合并法在降低中断概率和提高通行可靠性上都有显著的成效，而基于长时间信道预测的功率控制将会在一定程度上降低通讯的可靠性，有助于延长传感器电池寿命，方便长时间监测、记录、处理和传送数据。本文的后续研究还将包括功率余裕值的优化以及功率节约量的确定等。为了满足无线人体局域网易配置、低成本、超低损耗和高可靠性的要求，在设计优化上未来还有很多机遇与挑战，相信在不久的将来，无线人体局域网技术将在医疗保健及监护领域做出重要贡献，特别是在人口老龄化现象严重或临床医生紧缺的地区及国家，为远程医疗服务提供方便。

[1]Report Information from ProQuest.

[2]D.B.Smith，Cooperative Switched Combining for Wireless Body Area Networks，National ICTAustralia（NICTA），2013.

[3]A.Astrin et al.，“IEEE Standard for Local and metropoli⁃tan area networks part 15.6∶Wireless Body Area Networks∶IEEE Std 802.16.6-2012”，Feb.2012.

[4]D.B.Smith，Improved Switched Combining with Coopera⁃tive Diversity for Wireless Body Area Networks∶Empirical Analy⁃sis and Theory，National ICT Australia（NICTA），2012.

[5]D.B.Smith，Simple Prediction-Based Power Control for the On-Body Area Communications Channel，National ICT Austra⁃lia（NICTA），2011.

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2014年2月1日。